纤维素结构表征方法

1、An evaluation of dilute acid and ammonia fiber explosion pretreatment for cellulosic ethanol production Bioresource Technology (2015)对硫酸和氨纤维爆破法预处理纤维素生成乙醇的效益评估对硫酸和氨纤维爆破法预处理纤维素生成乙醇的效益评估 Abstract降低纤维降低纤维素转化为素转化为乙醇产品乙醇产品的成本的成本预处理玉预处理玉米秸秆，米秸秆，克服其顽克服其顽抗性抗性底物：组成、底物：组成、结晶度、形结晶度、形态、结构变态、结构变化化酶：相对酶酶：相对酶活、酶吸附活

2、、酶吸附量量目的目的手段手段方法方法Dilute acid(DA),Ammonia fiber explosion(AFEX)评估评估标准标准Introduction酶解酶解木质纤维素木质纤维素生物燃料生物燃料预处理预处理发酵发酵纤维素纤维素葡萄糖葡萄糖聚合度高聚合度高结晶度高结晶度高顽抗性强顽抗性强亲和性低亲和性低酶解效率低酶解效率低预处理方法：预处理方法：DA，AFEXAFEX and DA pretreatment of corn stover1、 Compositional difference （组成差异）（组成差异）AFEX：增加表面亲和能力；：增加表面亲和能力； 破坏结晶结构域、

3、生物质纤维；破坏结晶结构域、生物质纤维；切断木质素与纤维素连接链切断木质素与纤维素连接链移除乙酰基移除乙酰基通过降低疏水作用力增强酶解能力通过降低疏水作用力增强酶解能力葡萄糖葡萄糖木聚糖木聚糖阿拉伯聚糖阿拉伯聚糖乙酰基乙酰基酸不溶木质素酸不溶木质素杂质杂质乙醇提取物乙醇提取物多糖产物降解后再聚合，多糖产物降解后再聚合，木质素聚合形成伪木质素木质素聚合形成伪木质素（含（含C=O、脂肪族结构）、脂肪族结构）AFEX and DA pretreatment of corn stover目的评价手段2、crystallinity(结晶度结晶度)酶解速率：酶解速率：amorphous cellulose

4、 cellulose III cellulose II cellulose I结晶度：结晶度：DA：20% 38% 移除无定型半纤维素和部分木质素移除无定型半纤维素和部分木质素 AFEX：无明显变化：无明显变化 破坏纤维素结晶结构域，推测破坏纤维素结晶结构域，推测cellulose I转转 化为化为cellulose III植物细胞壁植物细胞壁纤维素链间和链中氢键纤维素链间和链中氢键AFEX and DA pretreatment of corn stover3、Surface roughness and morphological changes（表面粗糙（表面粗糙 度和形态变化）度和形态变

5、化）仪器仪器原理原理表征参数表征参数共焦荧光显微镜共焦荧光显微镜利用激光束经照明针孔形成利用激光束经照明针孔形成点点光源光源对标本内对标本内焦平面焦平面的每一点的每一点扫描，标本上的被照射点，在扫描，标本上的被照射点，在探测针孔处探测针孔处成像成像，由光电倍增，由光电倍增管或冷电耦器件逐点或逐线接管或冷电耦器件逐点或逐线接收后在显示器上形成荧光图像。收后在显示器上形成荧光图像。morphological changes（形态变化）形态变化）原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）利用原子之间的利用原子之间的范德华力范德华力作用作用来呈现样品的表面特性。来呈现样品的表面特性。对样品进行纳米区域的物对

6、样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测理性质包括形貌进行探测小角中子散射（小角中子散射（SANS）利用低散射角处弹性中子散射利用低散射角处弹性中子散射研究不同物质内部介观尺度研究不同物质内部介观尺度（1至数百纳米）结构。至数百纳米）结构。Surface roughness（表面粗糙度）表面粗糙度）热重分析（热重分析（TGA）在在程序程序控制温度下测量待测样控制温度下测量待测样品的质量与温度品的质量与温度变化变化关系的一关系的一种热分析技术，用来研究材料种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组份。的热稳定性和组份。纤维素区域、半纤维素区纤维素区域、半纤维素区域变化表征域变化表征AFEX an

7、d DA pretreatment of corn stover3、Surface roughness and morphological changes（表面粗糙（表面粗糙 度和形态变化）度和形态变化）表征参数表征参数UntreatedAFEXDA形态改变形态改变_否否是是纤维素纤维宽度（纤维素纤维宽度（nm）_685-119209-34表面粗糙度表面粗糙度_增加增加增加增加半纤维素域（半纤维素域（245-290）失重峰失重峰有有有有无无纤维素域（纤维素域（290-350）失）失重峰重峰有有有有有有DA：纤维素纤维生成纳米晶体（未断裂的纤维片段）；半纤维素移除。：纤维素纤维生成纳米晶体（未断

8、裂的纤维片段）；半纤维素移除。AFEX：热重分析半纤维素域降解温度升高，纤维素域降低；：热重分析半纤维素域降解温度升高，纤维素域降低； 推测纤维素分解为小分子纤维素或推测纤维素分解为小分子纤维素或cellulose I转化为转化为cellulose IIIAFEX and DA pretreatment of corn stover4、Structural changes to lignin（木质素结构变化）（木质素结构变化）芳香醚、芳香醚、联苯醚、联苯醚、联苯连接联苯连接木质素单体结构木质素单体结构木质素木质素HSQC NMR spectra分析（核磁共振）分析（核磁共振）DA： 芳香醚减少

9、芳香醚减少60AFEX：芳香醚减少芳香醚减少20%木质素木质素半纤维素半纤维素芳香环芳香环酯键醚键酯键醚键AFEX and DA pretreatment of corn stover5、 enzymatic hydrolysis（酶解）（酶解）影响酶解效率的原因影响酶解效率的原因木质纤维素底物特性木质纤维素底物特性酶特性酶特性移除木质素、木聚糖，移除木质素、木聚糖，切断木质素切断木质素-纤维素连接链纤维素连接链酶吸附量、不同酶协同酶吸附量、不同酶协同产物抑制产物抑制低聚纤维素、低聚木质素低聚纤维素、低聚木质素AFEX and DA pretreatment of corn stover6、

10、Enzyme adsorption （吸附）（吸附）DA：53 mg/g lignin 131 mg/g cellulose AFEX： 38.7 mg/g lignin 270 mg/g cellulose木质素限制纤维素酶酶解效率：木质素限制纤维素酶酶解效率：酶非生产性吸附酶非生产性吸附 01 木质素限制纤维素可及性木质素限制纤维素可及性 02 阻碍酶在纤维素表面流动阻碍酶在纤维素表面流动 03积累酶量、积累酶量、改变相邻纤维素链表面化学性质改变相邻纤维素链表面化学性质推动木质素液滴推动木质素液滴消除木质素抑制水解过程消除木质素抑制水解过程策略：策略：AFEX and DA pretreatment of corn stover7、 Cellulosic ethanol production （乙醇产品）（乙醇产品） 生物乙醇产品的成本是石油燃料的生物乙醇产品的成本是石油燃料的2-3倍；倍； （原料清洗、营养供给、解毒等单元操作）（原料清洗、营养供给、解毒等单元操作）DADA AFEX AFEX预处理反应器预处理反应器$ $22.522.5$ $9.159.15产品价格产品价格( (每升汽